CN108980160B - 一种复合材料用连接件及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料用连接件及其使用方法，该连接件包括固定连接的基板和贯穿杆，第一工件和基板固定连接，贯穿杆穿过第二工件后和第二工件固定连接。通过连接件第一工件和第二工件固定连接，基板的形状能够为平面或者曲面，与第一工件的固定面形状变化趋势一致，使得连接件的可设计性强，可满足不同形式混合连接的需求，因基板和第一工件的连接面积大，使得连接强度提高。
Description
【技术领域】
本发明属于复合材料连接件领域，具体涉及一种复合材料用连接件及其使用方法。
【背景技术】
FRP(纤维增强复合材料)主要由增强体和基体构成。复合材料的制孔及连接技术是其应用技术的关键。目前的技术手段主要是，纤维增强体与树脂基体按照预设固化制度及工艺成型，而后进行机加工、装配连接，最终制成各型产品。
总体而言，复合材料部件的连接主要有粘接、机械连接、焊接3种。焊接常用于热塑性复合材料的连接，在热固性复合材料焊接领域虽然有摩擦点焊等新兴技术的研究，但仍存在较多问题制约其应用。粘结剂胶接的优势在于减轻结构重量，外观平整光滑，改善疲劳强度，适应性强，最适合薄壁部件的连接，粘接工艺简单，可缩短生产周期。但是胶接亦存在难以克服的问题，粘结剂胶接强度通常在40MPa以内，在安全或强度要求较高的部件制造中，单纯胶接很难满足要求。为了保证结构强度刚度需求，仍需设置机械连接或混合连接。相对于胶接而言，机械连接使用铆钉和螺栓紧固，简单普遍高强；不需表面处理及后续抛光，方便检查、维修、回收及重复拆卸；对环境如温度的影响不敏感。但机械连接也存在重量增加、复材成型后制孔等机加工过程难度大、应力集中等问题，此外部件之间的交迭、高公差的要求、电蚀性也是不得不考虑的关键问题。
因此当前复合材料的主要连接方式是合二为一的混合连接。混合连接结合了粘结剂粘接与机械连接的优势，成为复合材料连接技术的热点方向。参见图1，但现有紧固件、连接件多为标准件，虽然成本较低，无法满足高性能、个性化设计的需求，极大地限制了连接方案设计的可选空间，甚至无法完成设计生产任务。复材部件成型、机加工制孔、胶接、机械连接的混合连接设计虽然可提升结构性能与安全性，但也存在步骤繁琐、作业难度大、成本高、连接件形状的制约等问题，现有混合连接多通过制孔、涂胶、胶接、机械连接等繁琐的步骤完成。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种复合材料用连接件及其使用方法。本发明的连接件通过基板和贯穿杆，结合胶接、共固化和机械连接，将被连接件连接。基板的形状跟随被连接件的形状变化，使得连接件的设计性高，连接强度高。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种复合材料用连接件，包括：基板和贯穿杆，基板的上表面为第一面板，下表面为第二面板；第一面板和贯穿杆的一端固定连接；
连接件连接第一工件和第二工件时，基板和第一工件固定连接；贯穿杆的另一端穿过第二工件，且贯穿杆和第二工件固定连接；第一工件相对第二工件的面为固定面；基板为平面或曲面，与固定面一致。
本发明的进一步改进在于：
优选的，第一面板和贯穿杆的一端一体成型；基板和第一工件的固定连接方式包括，第二面板和固定面固定连接或整个基板嵌入在第一工件内；第二面板和固定面通过胶接或共固化固定连接；基板通过共固化嵌入在第一工件内。
优选的，基板上开设有若干个通孔，每一个通孔的轴线垂直于其开设处基板的面；第一面板和第二面板中的一个或两个面板上的任意方向开设有若干个凹槽；胶接或共固化过程中，通孔内形成柱状粘结剂，凹槽内形成片状粘结剂，片状粘结剂的厚度为0.5-4mm。
优选的，第二面板在贯穿杆的固定处开设有定位孔，定位孔从第二面板深入至贯穿杆内部；第一工件上设置有定位凸起，定位凸起和定位孔配合限制基板在第一工件的位置。
优选的，贯穿杆和第二工件通过螺纹连接、铆接或弯折结构连接。
优选的，第一工件和第二工件通过若干个连接件固定连接；基板的厚度为0.2-20mm。
优选的，连接件的材料选用聚合物或金属材料；第一工件和第二工件能够为复合材料或金属。
优选的，连接件通过3D打印中的热熔融堆积方法或选域激光粉末烧结方法制备，热熔融堆积方法适用于聚合物材料的制备，选域激光粉末烧结方法适用于金属材料和聚合物材料的制备。
一种连接件的使用方法，包括以下步骤：
S1、连接基板和第一工件：当第二面板和第一工件固定连接时，基板放置固定面上，通过共固化或胶接固定连接第二面板和固定面；当基板嵌入在第一工件内部时，基板放置在第一工件的材料层间，通过共固化将基板固定嵌入在第一工件内部；
S2、连接贯穿杆和第二工件：贯穿杆穿过第二工件，通过螺纹连接、铆接或弯折结构固定连接贯穿杆和第二工件。
优选的，步骤S1中，当基板嵌入在第一工件内部时，基板定位放至在第一工件的层间材料之间，贯穿杆穿过预固化的第一工件坯料，完成固化；当第二面板和第一工件固定连接时，将基板定位放置在固定面上，进行第二面板和固定面之间的胶接或共固化。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种复合材料用连接件，该连接件包括固定连接的基板和贯穿杆，第一工件和基板固定连接，贯穿杆穿过第二工件后和第二工件固定连接。通过连接件，第一工件和第二工件固定连接，基板的形状能够为平面或者曲面，与第一工件的固定面形状变化趋势一致，使得连接件的可设计性强，可满足不同形式混合连接的需求，因基板和第一工件的连接面积大，使得连接强度提高。
进一步的，本发明的基板和贯穿杆一体成型，连接强度高；基板能够和第一工件的表面连接，也能够嵌入在第一工件内；当基板和第一工件的表面连接时，通过胶接或共固化连接；当基板嵌入在第一工件内时，通过共固化连接基板和第一工件；本发明的共固化和胶接通过基板实现，克服了传统连接件做共固化或预埋连接件时，占用空间大，层间结合力差，难以实现混合连接的问题。
进一步的，本发明的基板上开设有通孔和凹槽，使得胶接和共固化过程中形成柱状或片状的粘结剂，提高了基板与第一工件之间的剪切强度和抗剥离效果，仅用单个连接件即可实现高性能高强度的连接；形成的片状粘结剂的厚度薄，使得连接件的占用体积小；形成的粘结剂导电性差，位于金属与复合材料之间能够阻断电流产生，进而有效避免电化学腐蚀。
进一步的，根据被连接件需要的连接处，在第一工件上设置定位凸起，第二面板至贯穿杆开设定位孔，凸起插入定位孔中限制基板在第一工件的位置。
进一步的，本发明的贯穿杆和第二工件通过螺纹连接、铆接或弯折结构连接，属于易操作的机械连接方式约束，简化了第二工件与第一工件的连接工艺，连接强度高，使用简便，可避免第一工件和第二工件之间连接时复杂的机加工、装配等繁琐的工艺流程。
进一步的，本发明第一工件和第二工件通过若干连接件连接，连接件的使用数量能够根据第一工件和第二工件的大小、尺寸和连接强度需求等因素确定，增强第一工件和第二工件之间的连接力。基板的厚度限制为0.2-20mm，基板厚度就现有连接件而言，薄且选择范围大，具体能够根据第一工件的厚度及第一工件和第二工件的连接强度需求确定。
进一步的，本发明的连接件材料能够为聚合物或金属材料，被连接件能够为复合材料或金属，材料选用与制造工艺及设备选择密切相关，生产适应性强，可设计性好。
进一步的，本发明的连接件通过3D打印中的热熔融堆积方法(FDM)或选域激光粉末烧结方法(SLS)方法制备，实现连接件快速定制化的制造，步骤简单，材料适用性良好。
本发明还公开了一种复合材料连接件的使用方法；该方法通过共固化或胶接固定连接基板和第一工件；通过机械连接方式，包括螺纹连接、铆接或弯折结构连接贯穿杆和第二工件，使得第一工件和第二工件固定连接；整个连接过程简单，结合胶接、共固化和机械连接的混合连接方式，实现复合材料和金属，或复合材料之间的材料混合固定连接；将基板埋入第一工件中，提高了连接件的结构强度，共固化避免了机械加工作业，混合连接包括机械连接与胶接，粘结剂能够阻断复合材料与金属连接件之间因电位差产生的电化学腐蚀。
【附图说明】
图1为本发明连接件与第一工件连接状态和现有连接件与第一工件连接状态的结构对比图；
图2为贯穿杆为弯折结构的连接件正面方向三维结构示意图；
图3为贯穿杆为弯折结构的连接件反面方向三维结构示意图；
图4为贯穿杆为螺纹连接的连接件结构示意图；
图5为贯穿杆为铆接连接的连接件结构示意图；
图6为连接件连接第一工件和第二工件的正面方向三维结构示意图；
图7为连接件连接第一工件和第二工件的反面方向三维结构示意图；
其中：1-基板；2-贯穿杆；3-第一面板；4-第二面板；5-第一工件；6-第二工件；7-固定面；8-通孔；9-凹槽；10-定位孔。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图2和图3，本发明公开了一种复合材料用连接件，连接件本体包括基板1和贯穿杆2，基板1的上表面为第一面板3，下表面为第二面板4，第一面板3和贯穿杆2的一端固定连接；第一工件5和第二工件6为被连接件，第一工件5上和第二工件6相对的面为固定面7；基板1上开设有若干个通孔8，每一个通孔8的轴线垂直于其开设处基板1的面；第一面板3或第二面板4上沿平行于基板1的任意方向开设有若干个凹槽9。第二面板4在贯穿杆2的固定处开设有定位孔10，定位孔10从第二面板4深入至贯穿杆2内部，定位孔10可以为销钉孔、螺纹孔或异形凹槽等；第一工件5上设定有定位凸起，定位凸起和定位孔10配合限制基板1在第一工件5的位置。连接件的材料选用聚合物或金属材料；第一工件5和第二工件6能够为复合材料或金属。
当连接件连接第一工件5和第二工件6时，第一工件5的固定面7和第二面板4固定连接或整个基板1嵌入在第一工件5内；固定面7和第二面板4固定连接时，通过胶接或共固化固定连接；整个基板1嵌入在第一工件5内时，通过共固化使基板1和第一工件5固定连接；无论哪种连接方式，前提为基板1的形状与固定面7的形状一致，为平面或曲面，保证基板1和第一工件5的贴合面积大，连接强度高，基板1的厚度范围为0.2-20mm；基板1上的若干个通孔8和凹槽9在固定连接过程中，能够形成柱状粘结剂或片状粘结剂，片状粘结剂的厚度为0.5-4mm；粘结剂多为树脂或胶黏剂，因此形成树脂或胶黏剂的柱状或片状的嵌合体，提高了基板1的定位与抗剥离效果。
参见图2、图3、图4和图5贯穿杆2的一端和基板1一体成型，另一端穿过第二工件6后，通过机械连接方式固定贯穿杆2和第二工件6，机械连接方式包括螺纹连接(图4)，铆接(图5)或弯折结构连接(图2和图3)，弯折结构为贯穿杆2穿过第二工件6的部分成弯折状；当连接件的材质为金属材料时，机械连接方式能够为任意一种；当连接件的材质为聚合物时，机械连接方式只能为螺纹连接或铆接，若连接件的材质为聚合物且选用铆接和第二工件6连接时，第二工件6的材质需要为复合材料。
连接件制造除了可采用传统的金属连接件、塑料连接件的注塑、浇筑、冲压等工艺外，本发明采用3D打印技术中的热熔融堆积方法(FDM)、选域激光粉末烧结方法(SLS)完成制造。其中FDM适用于高聚物或聚合物混合物的制造，如ABS/PLA/PC/尼龙/pp及其混合物；SLS适用于金属、合金和聚合物的3D打印加工；以实现复杂高性能连接件的定制化快速制备。
采用FDM—3D打印技术制造一种上述复合材料用连接件的方法，其步骤为：
a，运用三维建模软件完成连接件结构设计；
b，将连接件三维数字模型以stl格式导入至切片软件care完成切片；
c，将切片结果以G-code格式导入FDM打印机，完成打印。
此外，采用SLS工艺制造金属材质连接件除工艺本身的加热、送料系统差别外，前处理过程基本与FDM一致。由此可知，采用3D打印技术实现了连接件的定制化快速制造，优势明显。
参见图6和图7，本发明的连接件连接第一工件5和第二工件6的具体步骤如下：
S1、连接件定位：通过定位孔10实现连接件的定位放置，将随型基板1放置在第一工件5的层间、固定面7或模具面；
S2、连接基板1和第一工件5：a.当第二面板4和第一工件5固定连接时，基板1定位放置固定面7上，通过共固化或胶接固定连接第二面板4和固定面7；当基板1嵌入在第一工件5内部时，基板1放置在第一工件5的材料层间，通过共固化将基板1固定嵌入在第一工件5内部；采用胶接模式时，合理控制胶接工艺并使胶黏剂填充基板1的通孔8与凹槽9，实现基板1的连接增强与定位，胶层厚度为0.5-4mm，可有效避免电化学腐蚀；
S3、连接贯穿杆2和第二工件6：a，螺接：贯穿头2穿过第二工件6，与紧固头螺帽完成螺栓连接；b，贯穿杆2翻折，扣紧第二工件6；c，贯穿杆2端部铆接实现紧固。
下面通过具体实施例演示设计并制造一种FDM—3D打印制备复合材料用的连接件。
实施例1：
该实例中连接件选用材料为ABS(丙烯腈、1，3-丁二烯、苯乙烯三种单体的接枝共聚物)，采用FDM—3D打印技术完成零部件制造。该随型基板1的贯穿杆2弯折紧固的连接件实例模型如图2和图3所示
该实例个性化设计表现为：
a、基板：基板1厚度2mm，设置大小形状不一的通孔8，深度为1mm的凹槽9，该连接件可用于复合材料表面胶接或复合材料坯料层间预埋共固化。
b，贯穿杆：第二面板4至贯穿杆2的底部开定位孔10，可定位于复材或模具面，另一端弯折后贴附在第二工件6表面，从而实现紧固；采用弯折约束，结构简单，适用于胶接与预埋共固化，有效提高了复合材料层合板之间的混合连接结构强度。
本发明公开了一种3D打印技术制备的复合材料用连接件结构及其制造方法，属于复合材料领域。该连接件结构由基板和贯穿杆构成，所述基板置于复合材料内部层间或表面，其结构与尺寸可结合实际需求灵活设计，可设置通孔和凹槽；所述贯穿杆一端与基板固联，另一端为紧固头，可在贯穿杆基板一侧的内部开设定位孔，贯穿杆外部制螺纹或弯折结构。本发明还公布了此类连接件的试用材料体系及其3D打印制造技术，实现了复杂高性能连接件的定制化快速制备。本发明的有益效果是，连接件可设计性强，定制化快速成型，材料选型空间大，特殊的基板构造形式可实现连接件与复合材料的表面随型胶接或层间预埋共固化，基板的槽孔结构发挥了优异的定位及增强作用；连接杆内孔定位，外部可实现螺接、铆接、卡接多种机械连接模式。本发明提高了连接件结构强度，共固化避免了机加作业，混合连接克服了电偶腐蚀，3D打印及较广的材料适应性实现了定制化快速制造，是一种先进的精定位高性能混合连接结构及其制造技术。
由图1可以看出，本发明克服了传统连接件做共固化或预埋连接件时，占用空间大，层间结合力差，难以实现混合连接的问题，随型基板的孔槽结构极大地提高了剪切强度，仅用单个连接件即可实现高性能高强度的混合连接。采用3D打印技术实现了定制化异形连接件的快速制造，且材料适用性良好，有利于降低成本，满足不同连接结构的差异化需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种复合材料用连接件，其特征在于，包括：基板(1)和贯穿杆(2)，基板(1)的上表面为第一面板(3)，下表面为第二面板(4)；第一面板(3)和贯穿杆(2)的一端固定连接；
连接件连接第一工件(5)和第二工件(6)时，基板(1)和第一工件(5)固定连接；贯穿杆(2)的另一端穿过第二工件(6)，且贯穿杆(2)和第二工件(6)固定连接；第一工件(5)相对第二工件(6)的面为固定面(7)；基板(1)为平面或曲面，与固定面(7)一致；
第一面板(3)和贯穿杆(2)的一端一体成型；基板(1)和第一工件(5)的固定连接方式包括，第二面板(4)和固定面(7)固定连接或整个基板(1)嵌入在第一工件(5)内；第二面板(4)和固定面(7)通过胶接或共固化固定连接；基板(1)通过共固化嵌入在第一工件(5)内；
基板(1)上开设有若干个通孔(8)，每一个通孔(8)的轴线垂直于其开设处基板(1)的面；第一面板(3)和第二面板(4)中的一个或两个面板上的任意方向开设有若干个凹槽(9)；胶接或共固化过程中，通孔(8)内形成柱状粘结剂，凹槽(9)内形成片状粘结剂，片状粘结剂的厚度为0.5-4mm；
第二面板(4)在贯穿杆(2)的固定处开设有定位孔(10)，定位孔(10)从第二面板(4)深入至贯穿杆(2)内部；第一工件(5)上设置有定位凸起，定位凸起和定位孔(10)配合限制基板(1)在第一工件(5)的位置。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料用连接件，其特征在于，贯穿杆(2)和第二工件(6)通过螺纹连接、铆接或弯折结构连接。
3.根据权利要求1任意一项所述的一种复合材料用连接件，其特征在于，第一工件(5)和第二工件(6)通过若干个连接件固定连接；基板(1)的厚度为0.2-20mm。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种复合材料用连接件，其特征在于，连接件的材料选用聚合物或金属材料；第一工件(5)和第二工件(6)为复合材料或金属。
5.根据权利要求4所述一种复合材料用连接件，其特征在于，连接件通过3D打印中的热熔融堆积方法或选域激光粉末烧结方法制备，热熔融堆积方法适用于聚合物材料的制备，选域激光粉末烧结方法适用于金属材料和聚合物材料的制备。
6.一种权利要求1-5任意一项所述连接件的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、连接基板(1)和第一工件(5)：当第二面板(4)和第一工件(5)固定连接时，基板(1)放置固定面(7)上，通过共固化或胶接固定连接第二面板(4)和固定面(7)；当基板(1)嵌入在第一工件(5)内部时，基板(1)放置在第一工件(5)的材料层间，通过共固化将基板(1)固定嵌入在第一工件(5)内部；
S2、连接贯穿杆(2)和第二工件(6)：贯穿杆(2)穿过第二工件(6)，通过螺纹连接、铆接或弯折结构固定连接贯穿杆(2)和第二工件(6)。
7.根据权利要求6所述的一种连接件的使用方法，其特征在于，步骤S1中，当基板(1)嵌入在第一工件(5)内部时，基板(1)定位放至在第一工件(5)的层间材料之间，贯穿杆(2)穿过预固化的第一工件(5)坯料，完成固化；当第二面板(4)和第一工件(5)固定连接时，将基板(1)定位放置在固定面(7)上，进行第二面板(4)和固定面(7)之间的胶接或共固化。
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